DE2821131A1 - Vacuum vapour deposition plant for coating turbine blades - where vapour not deposited on blades condenses on throwaway perforated collector plate or mesh - Google Patents
Vacuum vapour deposition plant for coating turbine blades - where vapour not deposited on blades condenses on throwaway perforated collector plate or meshInfo
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Abstract
Description
" Vakuumbeschichtungsanlage mit einer "Vacuum coating system with a
Kondensat-Auffangeinrichtung " Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumbeschichtungsanlage mit einer Quelle für das Beschichtungsmaterial, einer Vakuumkammer und einer Auffangeinrichtung für das nicht auf den Substraten niedergeschlagene Material. Condensate Collecting Device "The invention relates to a Vacuum coating system with a source for the coating material, a Vacuum chamber and a collection device for that which is not deposited on the substrates Material.
Bei Vakuumbeschichtungsanlagen wird nur ein Teil des für die Schichterzeugung benötigten Materials auf den Substraten niedergeschlagen. Wenn beispielsweise in einer Vakuumaufdampfanlage oder in einer Katodenzerstäubungsanlage mehrere Substrate im Strom des Beschichtungsmaterials angeordnet sind, so trifft ein Teil des Beschichtungsmaterials notwendigerweise nicht auf den Subs-traten auf, sondern kondensiert beispielsweise auf dem Substrathalter, wenn dieser die Substrate beispielsweise in Form eines kalottenförmigen Substrathalters an den Substraträndern umgibt, oder das Material tritt durch die Lücken zwischen den Substraten hindurch und kondensiert auf den inneren Kammerwänden bzw. auf Einbauteilen der Vakuumkammern. So ist beispielsweise beim Bedampfen einer Vielzahl von Einzelteilen im Dampfstrom eine Ausnutzung von 5% des Verdampfungsmaterials als gut zu bezeichnen, d.h. 95% des Verdampfungsmaterials kondensieren auf den Innenflächen der Vakuumaufdampfkammer sowie auf Einbauteilen. Aber selbst wenn einzelne, flächige Substrate bedampft oder bestäubt werden sollen, so gelangt stets ein Teil des Beschichtungsamterials an den Substraten vorbei auf substratfremde Kondensationsflächen, weil entweder die Substrate aus Gründen einer gleichmäßigen Schichtdickenverteilung kleiner sein müssen als die Materialquelle, oder weil beispielsweise bei einer GlimmentTadung stets ein Teil des abgestäubten Materials die Entladungszone verläßt.In the case of vacuum coating systems, only part of the amount is used for the production of the layer required material deposited on the substrates. For example, if in a vacuum evaporation system or multiple substrates in a cathode sputtering system are arranged in the flow of the coating material, then a part of the coating material hits necessarily does not occur on the subs, but condenses, for example on the substrate holder, if this holds the substrates, for example in the form of a dome-shaped Surrounds the substrate holder at the substrate edges, or the material passes through the Gaps between the substrates and condenses on the inner chamber walls or on built-in parts of the vacuum chambers. For example, when steaming a A large number of individual parts in the steam flow a utilization of 5% of the evaporation material can be described as good, i.e. 95% of the evaporation material condenses on the inner surfaces the vacuum evaporation chamber as well as on built-in parts. But even if single, flat If substrates are to be vaporized or dusted, part of the coating material is always present past the substrates onto non-substrate condensation surfaces, because either the substrates must be smaller for reasons of a uniform layer thickness distribution must be used as the source of material, or because, for example, in the case of a glow discharge a part of the dusted material always leaves the discharge zone.
Unabhängig davon, daß das nicht auf den Substraten konden- sierende Material eine Quelle ständigen Verlustes von teilweise teuerem Beschichtungsmaterial darstellt, so bilden die Ablagerungen des Beschichtungsmaterials auf anderen als den Substratflächen eine Ursache für Betriebsstörungen. Die in der Vakuumkammer kumulativ aufgebauten Schichten nehmen im Laufe der Zeit eine beträchtliche Dicke an, die bis zu mehreren Millimetern betragen kann.Regardless of the fact that this does not condense on the substrates ending Material a source of constant loss of sometimes expensive coating material represents, so form the deposits of the coating material on other than the substrate surfaces a cause of malfunctions. The one in the vacuum chamber layers built up cumulatively take on a considerable thickness over time which can be up to several millimeters.
Da auf den substratfremden Oberflächen keine ausreichenden Kondensationsbedingungen eingehalten werden können, haben die kondensierten Schichten keine haftfeste Verbindung mit dem Untergrund, spricht: den Kammerteilen. Sie beginnen infolgedessen, sich früher oder später abzuschälen und herunterzufallen, wobei sie auf die Substrate selbst oder auf die Quelle für das Beschichtungsmaterial gelangen können und dort den Beschichtungsvorgang in erheblichem Maße stören. Insbesondere beim Verdampfen von Legierungsmaterialien haben die kondensierten Schichten eine andere Legierungszusammensetzung als das zu verdampfende Material, so daß ein Fallen von bereits kondensiertem Beschichtungsmaterial in den Verdampfertiegel zu einer Anderung der Legierungszusammensetzung führen würde, ein Vorgang, der unbedingt verhindert werden muß.Since there are insufficient condensation conditions on the non-substrate surfaces can be adhered to, the condensed layers do not have a firm bond with the underground, speaks: the chamber parts. As a result, you begin to yourself sooner or later peel off and fall off, leaving them on the substrates itself or can get to the source for the coating material and there disrupt the coating process to a considerable extent. Especially when vaporizing of alloy materials, the condensed layers have a different alloy composition than the material to be evaporated, so that a fall of already condensed coating material would lead to a change in the alloy composition in the evaporator crucible, a process that must be prevented.
Sofern in der Beschichtungsanlage eine Wärmedämmung wie ein Strahlungsschutz etc. angeordnet ist, führt eine Kondensation von Beschichtungsmaterial auf dieser Wärmedämmung zu einer unerwünschten Veränderung der thermischen Eigenschaften der Wärmedämmung..If there is thermal insulation such as radiation protection in the coating system etc. is arranged, leads to a condensation of coating material on this Thermal insulation causes an undesirable change in thermal properties the thermal insulation ..
Zum Schutze von Vakuum-Aufdampfanlagen ist es bereits bekannt, in unmittelbarer Nähe des Verdampfers zwei endlose Metallbänder vorzusehen, die über senkrecht stehende Umlenkwalzen geführt sind und auf der dem Verdampfer abgekehrten Seite über ein Schälmesser geführt werden, welches die sich auf den Bändern bildenden Ablagerungen erfaßt. Eine solche Vorrichtung ist aufwendig in der Herstellung und im Betrieb und außerdem unter Vakuumbedingungen in hohem Maße störanfällig. Sie hat den weiteren Nachteil, daß es unmöglich ist, mit einem endlosen Förderband kompliziert geformte Innenflächen von Vakuumkammern abzudecken, da für die Führung eines Endlosbandes über jede ebene Teilfläche der Vakuumkammer zwei Umlenkwalzen mit den notwendigen Lagern und Antrieben vorgesehen werden müssen. Die bekannte Vorrichtung hat daher in der Praxis nur einen beschränkten Wert.To protect vacuum evaporation systems, it is already known in In the immediate vicinity of the evaporator, two endless metal belts should be provided, which are over vertical deflection rollers are guided and on the remote from the evaporator Page over a paring knife, which is formed on the belts Deposits recorded. Such a device is expensive to manufacture and highly prone to failure during operation and also under vacuum conditions. she has the further disadvantage that it is impossible to get complicated with an endless conveyor belt to cover shaped inner surfaces of vacuum chambers, as for guiding an endless belt Over each flat surface of the vacuum chamber two deflection rollers with the necessary Bearings and drives must be provided. The known device therefore has in practice only a limited value.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumbeschichtungsanlage der eingangs beschriebenen Gattung so zu verbessern, daß das nicht auf den Substraten kondensierende Material von der Auffangeinrichtung aufgefangen, zuverlässig festgehalten und zusammen mit der Auffangeinrichtung aus der Beschichtungsanlage entfernt werden kann, ohne daß hierfür unvertretbar hohe Investitions- oder Betriebskosten in Kauf genommen werden müssen.The invention is therefore based on the object of a vacuum coating system of the type described at the outset so that this does not occur on the substrates condensing material caught by the collecting device, reliably held and removed from the coating system together with the collecting device can without this unacceptably high investment or operating costs must be taken.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs angegebenen Vakuumbeschichtungsanlage erfindungsgemäß dadurch, daß die Auffangeinrichtung mindestens vor den nicht mit den Substraten identischen Kondensationsflächen stationär angeordnet ist und aus einem Flächengebilde mit einer Vielzahl von über die Oberfläche verteilten Durchbrüchen besteht.The task at hand is solved with the one specified at the beginning Vacuum coating system according to the invention characterized in that the collecting device at least Stationarily arranged in front of the condensation surfaces that are not identical to the substrates is and consists of a sheet with a plurality of distributed over the surface There are breakthroughs.
Ein solches Flächengebilde kann beispielsweise ein Drahtgewebe oder ein Lochblech sein, welches hinsichtlich seiner Raumform der Vakuumkammer ähnlich ist.Such a flat structure can, for example, be a wire mesh or be a perforated plate, which is similar to the vacuum chamber in terms of its spatial shape is.
Vereinfacht ausgedrückt besteht die Auffangeinrichtung aus einem kastenförmigen Gebilde, welches in die Vakuumkammer eingesetzt werden kann und deren innere Oberfläche und gegebenenfalls auch Einbauteile soweit wie möglich abdeckt.In simple terms, the collecting device consists of a box-shaped one Structure that can be inserted into the vacuum chamber and its inner surface and, if necessary, also covers built-in parts as far as possible.
Das nicht von den Substraten aufgefangene Bescnichtungsmaterial schlägt sich beim Betrieb einer solchen Vorrichtung auf der Auffangeinrichtung nieder und durchdringt dabei teilweise die Durchbrüche. Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis sämtliche Durchbrüche geschlossen sind, wodurch eine innige "Verzahnung" zwischen der Auffangeinrichtung und dem niedergeschlagenen Material entsteht. Dieser Vorgang kann sich über eine längere Zeitdauer fortsetzen, wobei selbst beträchtliche Schicht dicken auf der Auffangeinrichtung in Kauf genommen werden können. Die betreffenden Schichten können sich nicht von der Auffangeinrichtung lösen; sie werden vielmehr nach Erreichen einer bestimmten Schichtdicke zusammen mit der Auffangeinrichtung aus der Vakuumkammer entfernt. Es hängt dann von dem Wert des niedergeschlagenen Materials ab, ob eine Aufbereitung und Wiederverwendung vertretbar ist, oder ob der Verbund aus Auffangeinrichtung und kondensiertem Material verworfen werden muß. Die Auffangeinrichtung kann auf eine sehr billige Weise hergestellt werden, in dem man beispielsweise Drahtgewebe und/ oder Lochbleche mit oder ohne Stützrahmen zu einem in sich steifen Gebilde vereinigt, welches in die Vakuumkammer eingesetzt werden kann.The coating material not caught by the substrates hits during the operation of such a device down on the collecting device and partially penetrates the breakthroughs. This process continues as long as until all breakthroughs are closed, creating an intimate "interlocking" between the collecting device and the precipitated material. This process can continue over an extended period of time, with even considerable shift thick on the fall arrester can. The layers in question cannot detach themselves from the collecting device; she rather, after reaching a certain layer thickness together with the collecting device removed from the vacuum chamber. It then depends on the value of the dejected Material depends on whether reprocessing and reuse is justifiable, or whether the composite of collecting device and condensed material must be discarded. The collecting device can be manufactured in a very cheap way in which for example, wire mesh and / or perforated sheets with or without a support frame united in a rigid structure, which is inserted into the vacuum chamber can be.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes sei nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is given below explained in more detail with reference to FIGS.
Es zeigen: Figur 1 einen senkrechten Längsschnitt durch eine Vakuumaufdampfanlage für die Beschichtung einer Vielzahl von Substraten, Figur 2 einen Schnitt durch den Gegenstand nach Figur 1 entlang der Linie II - II, Figur 3 einen Schnitt durch eine Auffangeinrichtung in Form eines Drahtgewebes mit einem dickeren Oberzug von kondensiertem Material und Figur 4 einen Schnitt analog Figur 3, jedoch mit dem Unterschied, daß an die Stelle eines Drahtgewebes ein Lochblech getreten ist.The figures show: FIG. 1 a vertical longitudinal section through a vacuum vapor deposition system for the coating of a large number of substrates, FIG. 2 shows a section through the object of Figure 1 along the line II - II, Figure 3 is a section through a collecting device in the form of a wire mesh with a thicker cover of condensed material and FIG. 4 shows a section analogous to FIG. 3, but with the difference that a perforated plate is used instead of a wire mesh is.
In Figur 1 ist eine Vakuumkammer 10 dargestellt, die an beiden Enden mit Schleusenventilen 11 und 12 versehen ist.In Figure 1, a vacuum chamber 10 is shown, which is at both ends is provided with lock valves 11 and 12.
Auf dem Boden der Vakuumkammer 10 ist eine Quelle 13 für das Beschichtungsmaterial dargestellt, die aus einem langgestreckten Verdampfertiegel 14 besteht, der mit dem Beschichtungsmaterial 15 gefüllt ist, welches einen Badspiegel 16 aufweist. Dieser Badspiegel wird mit Elektronenstrahlen 17 beschossen, die von zwei Elektronenstrahl kanonen 18 und 19 erzeugt werden.At the bottom of the vacuum chamber 10 is a source 13 for the coating material shown, which consists of an elongated evaporator crucible 14 with the coating material 15 is filled, which has a bath mirror 16. This bath mirror is bombarded with electron beams 17 from two electron beams cannons 18 and 19 are generated.
Durch das (offene) Schleusenventil 11 ragt eine Haltestange 20 in die Vakuumkammer 10 hinein, an deren vorderem Ende ein Substrathalter 21 befestigt ist, der gabelförmig ausgebildet ist, wobei zwischen den Schenkeln der Gabel mehrere Substrate 22 befestigt sind, die im vorliegenden Falle durch Turbinenschaufeln gebildet werden. Es ist ersichtlich, daß ein Teil des vom Badspiegel 16 ausgehenden Dampfes zwischen den Substraten 22 hindurchtreten kann und notwendigerweise an anderen Stellen kondensiert.A holding rod 20 protrudes through the (open) sluice valve 11 into the vacuum chamber 10, at the front end of which a substrate holder 21 is attached is, which is fork-shaped, with several between the legs of the fork Substrates 22 are attached, which in the present case are formed by turbine blades will. It can be seen that part of the steam emanating from the bath mirror 16 can pass between the substrates 22 and necessarily at other locations condensed.
Im Innern der Vakuumkammer 10 befindet sich, die Quelle 13 und die Substrate 22 möglichst allseitig umgebend' eine Wärmedämmung 23 in Form eines kastenförmigen Blechgehäuses, welches aus einer Vielzahl von Blechen bestehen kann. In der Wärmedämmung 23 sind Durchtrittsöffnungen 24 für die Elektronenstrahlen 17 und den Substrathalter 21 angeordnet, die gerade eben zur Erfüllung ihrer Aufgabe ausreichend bemessen sind.Inside the vacuum chamber 10 is the source 13 and the Surrounding substrates 22 as far as possible on all sides' heat insulation 23 in the form of a box-shaped Sheet metal housing, which consist of a large number of sheets can. In the thermal insulation 23 there are passage openings 24 for the electron beams 17 and the substrate holder 21 is arranged, which is just about to perform its task are adequately dimensioned.
Aus Figur 2 geht noch zusätzlich hervor, daß die Wärmedämmuna 23 noch mit einer weiteren Uffnung 25 verse-hen ist, die über einen Einblickschacht 26 mit einer Einblickeinrichtung 27 verbunden ist, die beispielsweise aus einem optischen System in Verbindung mit einer stroboskopischen Schutzeinrichtung besteht. Gemäß Figur 2 wird die Vakuumkammer 10 über einen Saugstutzen 28 evakuiert.From Figure 2 it can also be seen that the thermal insulation 23 is still is provided with a further opening 25, which has an insight shaft 26 with a viewing device 27 is connected, for example from an optical System in connection with a stroboscopic protective device. According to FIG. 2 the vacuum chamber 10 is evacuated via a suction nozzle 28.
Die gesamten Innenflächen der Wärmedämmung 23 sind von einer Auffangeinrichtung 29 überzogen, die aus einem Drahtnetz oder Drahtgewebe 30 (Figur 3) oder aus einem Lochblech 31 (Figur 4) bestehen kann. Selbstverständlich ist auch die Auffangeinrichtung 29 an den Stellen der Durchtrittsöffnungen 24 bzw. der Uffnung 25 unterbrochen.The entire inner surfaces of the thermal insulation 23 are from a collecting device 29 covered, which consists of a wire mesh or wire mesh 30 (Figure 3) or from a Perforated plate 31 (Figure 4) can exist. Of course, the collection device is also included 29 interrupted at the points of the passage openings 24 or the opening 25.
Die Wirkungsweise der Auffangeinrichtung 29 geht aus den Figuren 3 und 4 hervor. Die Richtung des Materialstroms ausgehend von der Quelle 13, ist durch Pfeile gekennzeichnet. Zunächst kondensiert auf dem Drahtgewebe 30 bzw.The mode of operation of the collecting device 29 can be seen in FIGS and 4. The direction of the flow of material starting from the source 13 is through Marked with arrows. First condenses on the wire mesh 30 or
auf dem Lochblech 31 eine Materialschicht in asymmetrischer Verteilung, wie dies durch die gestrichelten Linien ange- deutet ist, welche die einzelnen Querschnitte der Auffangeinrichtung umgeben. Nach dem Aufwachsen einer entsprechenden Schichtdicke schliessen sich die Zwischenräume allmählich, so daß sich eine dicke, geschlossene Schicht 32 aus dem von der Quelle 13 ausgehenden Material bildet. Diese Schicht 32 ist mit den Auffangeinrichtungen außerordentlicht gut "verzahnt", und kann infolgedessen nicht herunterfallen. Sie bildet mit der Auffangeinrichtung ein sich gegenseitig versteifendes Gebilde, welches auch durch eine zunehmende Ablagerung des Beschichtungsmaterials nicht verformt werden kann. Nach der Aufwachsen einer bestimmten Schichtdicke werden das Drahtgewebe 30 und das Lochblech 31 zusammen mit der Schicht 32 aus der Vakuumkammer 10 bzw. aus der Wärmedämmung 23 entfernt und durch eine neue Auffangeinrichtung 29 ersetzt, die als Wegwerfartikel ausgeführt ist.on the perforated plate 31 a material layer in an asymmetrical distribution, as indicated by the dashed lines indicates which one surround the individual cross-sections of the collecting device. After growing up one corresponding layer thickness, the gaps gradually close so that a thick, closed layer 32 of the material emanating from the source 13 forms. This layer 32 is extraordinarily well "interlocked" with the collecting devices, and as a result cannot fall off. It forms with the fall arrest facility a mutually stiffening structure, which is also caused by increasing deposits of the coating material cannot be deformed. After growing up one The wire mesh 30 and the perforated plate 31 are combined with a certain layer thickness removed with the layer 32 from the vacuum chamber 10 or from the thermal insulation 23 and replaced by a new collecting device 29, which is designed as a disposable item is.
Aus den Figuren 1 und 2 ist noch zu erkennen, daß die Auffangeinrichtung 29 der Raumform der Vakuumkammer 10 weitgehend ähnlich ist und hinsichtlich ihrer Abmessungen mit den Innenabmessungen der Wärmedämmung 23 weitgehend Ubereinstimmt.From Figures 1 and 2 it can also be seen that the collecting device 29 of the three-dimensional shape of the vacuum chamber 10 is largely similar and in terms of their Dimensions with the internal dimensions of the thermal insulation 23 largely coincides.
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